基于振动信号相位检测的大型机电设备故障诊断技术

2,3

苗可彬1,

煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室;北京市煤矿安全工程技术研究中心)2.3.

(煤炭科学技术研究院有限公司,北京11.00013;

摘要:针对煤矿大型机电设备存在故障检测和定位困难,维修周期长等问题,通过对故障诊断技术研究现状分析,研究设计基于信号互功率谱的相位检测算法,并研发了基于F振动传感器、温度传感器PGA和双核控制器的振动监测分站、和上位机监控软件等,形成了一套机电设备故障诊断系统。通过现场工业试验,系统运行稳定可靠,能预先判断设备运行状态并给出相应的措施,大大减少了现场检修和维护人员的工作量,提高了煤矿安全生产的效率。关键词:故障诊断;相位检测FPGA;

中图分类号:TD44 文献标识码:A

FaultDianosisTechnolofLareElectromechanicalEuimentBasedonggyogqp

VibrationSinalPhaseDetectiong

MiaoKebin

1,2,3

(,;;1.ChinaCoalResearchInstituteBeiin00013,China2.StateKeaboratorfCoalMininndCleanUtilizationjg1yLyoga

:,AbstractInviewofthedifficultiesindetectinndlocatinaultsoflareelectromechanicaleuimentincoalminesthemaintenancegagfgqp

)3.ResearchCenterofMineSafetnineerinndTechnoloyEggagy

,ccleislon.Bnalzinheresearchstatusoffaultdianosistechnolohasedetectionalorithmbasedonsinalcross-owersec-ygyaygtggypggpp

,,trumisstudiedanddesined.Thevibrationmonitorinub-stationvibrationsensortemeraturesensorandmonitorinoftwarebasedggspgs,onFPGAanddual-corecontrolleraredeveloedandasetoffaultdianosissstemforelectromechanicaleuimentisformed.Throuhpgyqpg

,on-siteindustrialtestthesstemrunsstablndreliabl.Itcanudetherunnintateofeuimentinadvanceandgivecorresondinyyayjggsqppgsafetroduction.yp

,,measureswhichgreatleducestheworkloadofon-sitemaintenanceandmaintenancepersonnelandimrovestheefficiencfcoalmineyrpyo

:;KeordsFPGA;faultdianosishasedetectiongpyw

引 言

人员、设备制造商、设备专家的动态管理与远程诊断,并提

3]

,供多方专家故障诊断决策支持[有效降低了设备维护成

随着科技的进步和数字化矿山的建设,大型机电设备

本,显著提高了煤矿安全生产效率。

在矿山的应用越来越广泛,这种集中化和自动化生产在提高生产效率的同时,也存在故障检测和定位困难、维修周期长等问题,研究高效的机电设备故障诊断技术,实现煤矿设备的实时在线诊断和故障定位,对减少检修和维护工作量、

]1

。缩短故障时间和提高生产效率具有十分重要的意义[

1 研究现状

了三个发展阶段,目前在电力和其他工业领域都有成熟的

4]

。由于煤矿的特殊工作条件和设备的特殊性,应用[且大

设备健康诊断技术的研究源于2经历0世纪80年代,

在调研现有设备故障机理及故障诊断方法基础上,针

型设备也是近些年才逐步投入应用。因此,煤矿井下设备故障诊断技术和设备的研究远远落后于其他工业行业,近些年才逐步开展相关研究。

机电设备健康诊断技术主要有:利用便携式仪器检测或人工查看的方式进行早期简易故障诊断方法;利用多种传感器技术和通信网络的实时在线监测的故障专家诊断

对煤矿大型机电设备的健康运行状况,建立以温度、振动、转速、异常响声等实时在线分析为基础的关键设备健康安全感知模型,以此为基础开展相关设备和上位机诊断软件

2]

,系统的研发[设计在用设备管理、状态检修、安全管理等

矿山设备全生命周期的实时监测管控平台,实现煤矿管理

3 6

Microcontrollers&EmbeddedSstems 2019年第3期ywww.mesnet.com.cn

5]

。这种早期系统方法;还有油液磨屑故障诊断技术方法[

结构相对简单,大大降低了运算资源消耗,提高了运算速度,为相位检测低成本广泛应用提供了条件。

简易故障诊断方法不能满足技术发展需要,而煤矿井下的工况环境和工作机制使得油液磨屑诊断技术无法及时、连续地在现场应用。而这种系统的故障专家诊断方法是以先进的传感器技术和网络通信技术为基础,通过对振动信号的监测和解调来实现系统信号的处理,利用实时在线监测和故障诊断可以实现矿用机电设备故障的精确

6]

。诊断[

3 故障诊断系统设计

]9

。析、阈值报警,无法做到故障诊断及故障类型细节分析[

目前常见的监测机电设备健康状态基本属于定性分

通过对振动信号相位检测算法的深入研究以及传感器技术、工业以太网网络结构中终端设备对等通信及互控等关键技术研究,研制出实时在线故障诊断系统,实现煤矿机电设备的全生命周期管理、故障诊断等,便于维修维护人员及早发现安全隐患,制定维修计划,从而保障煤矿安全生产。

系统由计算机、电源箱、振动监测分站、光端机、振动传感器、轴温传感器等设备和上位机软件组成。系统组成结构示意图如图1所示。

2 振动信号相位检测算法

7]

。相位检测目前大多最主要的是快速准确的相位检测[

振动信号的检测主要是检测相位、频率和幅值,其中

采用硬件设备实现,但高精度的相位检测硬件设备价格很高,不适合煤矿井下设备大规模网络化应用,因此研究高精度、快速的软件法相位检测技术是项目成功的关键。传统的软件相位检测算法由于运算结构复杂不能应用到单

8]

。项目研片机系统中,且相对硬件结构运算速度比较慢[

究一种基于信号互功率谱的相位检测算法,应用于嵌入式系统中用于快速相位检测,降低应用成本,为技术广泛应用奠定基础。

考虑幅值为A、周期为T、初相位为φ的如下正弦

信号:

()xtsin2π=A

1

幅值为1、t(T

)周期为T、初相位为0互协方差函数为:() 与同频标准正弦信号yt=sin2π

*

()[()x](())]()·E[Ct-τ2-μyxyτ=Ext-μy

。式中μx、y表示均值μ

1

t+φT

()1

)式(的傅里叶变换函数如下:2

()Pxyω=

两信号的互功率谱密度函数为:() Pxyω=

πAj2π-j2π2πφ

()eδeφδ4-ω++ω

2TTT

0,x≠02π

(),当ω= 式中使用了狄拉克函数:δx=

T1,x=0

时,互功率谱密度函数为:

()Pxyω

ω=T

2π

∫

+∞

-∞

ωt

()-iCdτxyτe()3

)计算得到: 信号的初始相位角由式(5

()2πrgPxyωφ=aω=

T

=

πAj

φe2

图1 故障诊断系统结构示意图

系统设计实现如下功能:

①早期故障诊断。系统通过实时监测各传感器数据,全面掌握设备的运行状况,通过分析预警能及早发现

设备故障隐患,提示维护人员尽快解决。

②故障预警。通过自动分析系统实现多级报警机制,对各监测参量实现门限报警的前提下,还能通过智能

()5()6

学习自动调整门限值,实现趋势分析和预警功能。③故障诊断专家系统。系统设计故障诊断专家系统对设备故障实现精确诊断,早期预警,并给出维护措施。

采用互功率谱 此算法经过试验测试具有较高的精度,

运算方法大大提高了抗干扰的能力,在煤矿井下空间狭窄干扰比较多的条件下应用具有显著的优势。另外,本算法

4 监测分站设计

振动监测分站是设备故障诊断系统的重要组成部分,

敬请登录网站在线投稿 2019年第3期

3 7

能够采集前端各测点传感器的信号,并对信号进行滤波、放大、存储、传输等处理。分站上位机通信采用光纤或8路4~20mA电流传感器输入端口和2路RS485输入端口。通过监测分站设定各端口的传感器类型,发送到分

10]

。数据进行监测与分析[

数据发布软件采用模块化设计,具有各种分析图谱,

RJ45电口模式。分站具有16路振动传感器输入端口、

维护人员通过图谱分析可以全面掌握设备运行健康状况。通过机组概貌图可以对设备整体运行情况进行实时查看,设备上各测点的数据能够直观显示出来,点击相应的测点则进入到该测点的图谱分析界面。通过诊断分析界面可以查看设备各时间段的数据和曲线,还可查看频谱图和诊断报告等。

站,分站根据设定的参数同步采集各端口传感器的数据。分站配接一个带背光的液晶显示器;分屏显示分站信息,,间隔6s轮流显示分站通过显示屏显示分站I通P地址、

信状态、各传感器实时监测值。分站具有自诊断和故障指示功能。

行数据采集、处理、显示、通信、接收、处理、回应监测主机的命令。因设备故障振动信号比较弱,容易受到其他信号的干扰,分站对振动信号的采集处理是系统的核心部分。数据采集电路结构示意图如图2所示。信号处理流程是采用传感器采集振动信息,经过前置放大器对信号进行放大处理,通过增益调节对信号进行4阶低通和高通滤波,再经过二次放大,由DSP和ARM9组成的协同控制器通过FPGA进行信号模/数转换并存储。采用FPGA的硬存储方式,大大提高了实时性和工作效率。

分站使用F进PGA和双核DSP+ARM9协同处理,

结 语

大型机电设备在矿山的应用越来越广泛,目前仍存在

故障检测和定位困难,维修周期长等问题,研究高效的机电设备故障诊断技术,对减少检修和维护工作量、缩短故障时间和提高生产效率具有十分重要的意义。

本文通过对故障诊断技术研究现状分析,研究设计基于信号互功率谱的相位检测算法,并研发了基于FPGA和双核控制器的振动监测分站、振动传感器、温度传感器和上位机监控软件等,形成了一套机电设备故障诊断系统。系统在山西天地王坡煤业有限公司进行了现场工业试验,系统运行稳定可靠,能预先判断设备运行状态并给出相应的措施,大大减少了现场检修和维护人员的工作量,提高了煤矿安全生产的效率。

参考文献

[]虞剑龙,喻杰超,熊小辉.浅议加强煤矿机电设备管理促进矿1

[]曲德臣,白好杰,徐刚,等.煤矿大型固定设备可靠性维护工2

]():井安全生产[科技与企业,J.20132442.

图2 振动信号采集电路结构示意图

在监测主机上,中间件定义好厂区、设备名称及类型、测点名称及类型,此过程叫组态;在监测主机上,DAQ软件从中间件同步组态信息,在DAQ中将各测点对应通道采集、上传数据;当分站连接的设备发生变化时,必须重新进行组态配置。

号生成配置信息下载到分站。分站必须按配置信息工作、

[]胡勇.]机械设备运行可靠性评估的发展[建筑工程技术与3J.

]():作的研究[煤矿机械,J.201311185187.():设计,201714451.

[]薛光辉,吴淼.机电设备故障诊断方法研究现状与发展趋势4

[]王家鑫.]机械加工设备故障诊断技术[城市建设理论研5J.

[]():煤炭工程,J.20105103105.():究,201610231.

[]杨根齐.]工程机械故障诊断的新技术和方法[工程建设与6J.

5 上位机软件设计

上位机软件设计由数据库、数据采集软件和数据发布软件组成。数据库部分采用微软SQLServer2000及以上

[]江志农,冯坤,高金吉.相位补偿滤波方法在自动平衡系统中7

():设计,201617138139.

[]冯坤,江志农,高金吉.一种新的信号特征量检测方法及其在自8

]():的应用[振动、测试与诊断,J.20063234239.

数据库进行设计,该数据库使用方便,功能强大,工作稳定,维护量小。数据采集采用V数据处C++6.0开发,

[]阮威.]浅谈机电设备故障诊断及维修技术[企业技术开9J.

]():动平衡中的应用研究[机械科学与技术,J.2006558.():发,2013128586.

理主要是通过上位机对数据库中已经设定的井下分站进行巡检获得,通过对通信协议进行分析处理取出各测点的值,并根据通信状况和获取的值设定各测点状态。数据发布是用ASP.NET+XML+SQLServer2000数据库开发

[]贡军,]王喜恩.基于F10CS的农业装备远程监控系统设计[J.

():农业装备技术,2011315.

,苗可彬(副研究员)主要研究方向为煤矿安全技术及装备。

()责任编辑:薛士然 收稿日期:2018-11-15

/的C对中心站采集上来的S系统。运行在监测终端上,

3 8

Microcontrollers&EmbeddedSstems 2019年第3期ywww.mesnet.com.cn